交流伺服运动控制系统的检测技术及元件课件

2交流伺服运动控制系统检测技术及元件2021/4/1712021/4/1721）电流、电压检测2）磁极位置检测3）电机、功率器件温度检测4）电机动子位置、速度检测5）运动机构的速度及位置检测2.1交流伺服运动控制系统的检测要求检测的精确性、快速性、可靠性是反馈控制性能的基础2021/4/1732.2检测技术原理

检测技术是研究信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术。通俗的讲，就是把一种不方便表示的量转化为某种方便表示的量进行表示。敏感元件（或传感器）：将感知的被测量按一定规律转化为某一种量值输出，通常是电信号。信号调理电路实现信号转换和放大滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理检测系统构成

2021/4/174传感器是检测系统的第一个环节，顾名思义，传感器的功能是“感+传”，即感受被测信息，并传送出去。由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。敏感元件是能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件；

转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。1传感器2021/4/175传感器量程切换电路放大器

解调器信号分离电路运算电路模数转换电路计算机显示执行机构振荡器

电源1）模拟式测量电路的基本组成2信号调理电路

被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。2021/4/176将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内，如0-5VDC;对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，放大倍数G=1+R2/R1；若接放大器的负端为反相放大，G=－R2/R1。a）放大器的作用2021/4/177原理：将被测电流通过一个已知的取样电阻，测量电阻两端的电压即可得到被测电流。既可以测量直流，也可以测量交流；不同量程的电流可以选择不同的取样电阻。选择取样电阻：1kΩ、100Ω、10Ω、1Ω、0.1Ω，便可测量电流：200μA、2mA、20mA、200mA、2A输出电压：200mvA/DRxIr-+Amp取样电阻b）欧姆法测量电流（I/V变换）2021/4/178原理：电流流过导线，周围会感生出磁场，霍尔器件检测由电流感生的磁场,霍尔输出电流放大后通过补偿线圈，产生相反的磁场，使磁芯中磁通为0，达到平衡后，由Is测量导线通过的电流。c）闭环霍尔法测量电流2021/4/179指令传感器传感器显示执行机构计算机锁存器计数器转换电路脉冲当量放大器整形电路细分电路手动采样锁存指令辨向电路2）数字式测量电路的基本组成

被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。

信号抗干扰能力强、处理简单。2021/4/17109、人的价值，在招收诱惑的一瞬间被决定。2023/2/32023/2/3Friday,February3,202310、低头要有勇气，抬头要有低气。2023/2/32023/2/32023/2/32/3/20234:37:16PM11、人总是珍惜为得到。2023/2/32023/2/32023/2/3Feb-2303-Feb-2312、人乱于心，不宽余请。2023/2/32023/2/32023/2/3Friday,February3,202313、生气是拿别人做错的事来惩罚自己。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32/3/202314、抱最大的希望，作最大的努力。03二月20232023/2/32023/2/32023/2/315、一个人炫耀什么，说明他内心缺少什么。。二月232023/2/32023/2/32023/2/32/3/202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/2/32023/2/303February202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3性能指标

系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如±0.002～0.02mm/m，±10"/360°等

系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如直线位移的分辨率为0.001～0.01mm。角位移分辨率为2"作用检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，对驱动装置进行控制。要求工作可靠，抗干扰能力强满足精度、分辨率、测量范围使用维修方便、成本低2.4运动控制系统测量2021/4/1712检测装置的分类按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量位置检测装置直线型旋转型感应同步器光栅磁尺旋转变压器脉冲编码器2021/4/17131旋转变压器

旋转变压器的结构

在结构上和两相绕线式异步电动机相似，由定子和转于组成。定子绕组为变压器的一次绕组转子绕组为变压器的二次绕组。2021/4/1714根据互感原理工作的，定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电功势输出感应电功势大小与转子位置有关旋转变压器工作原理2021/4/1715特点结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。实际采用正余弦旋转变压器，其定子由两组匝数相等、互相垂直的绕组构成。旋转变压器的应用2021/4/1716鉴相方式

在旋转变压器定子的两相正交绕组上分别加上幅值相等、频率相同的正弦、余弦激磁电压，转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压线性叠加得总感应电压为：因此，只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角。鉴幅方式

给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同的激磁电压，

则在转子绕组上得到感应电压为

不断修改激磁调幅电压幅值的电气角θ电，使之跟踪θ机的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ机

。2021/4/1717感应同步器是旋转变压器演变而来，也是一种电磁感应式的位移检测装置。圆型感应同步器由定子和转子组成，用于测量角位移直线型感应同步器由定子和转子组成，用于测量直线位移

2感应同步器2021/4/1718直线感应同步器的结构利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙约为(0.25±0.05)mm作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的滑尺上有正弦和余弦励磁绕组，在空间位置上相差1/4节距，定尺和滑尺绕组的节距相同2021/4/1719W

滑尺在移动一个节距的过程中，感应电势变化了一个周期。若励磁电压u＝Umsinωt，那么在定尺绕组产生的感应电势e为

e＝kUmcosθcosωt2021/4/1720

滑尺上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差90°的交流电压，即

us＝Umsinωtuc＝Umcosωtus和uc单独励磁，在定尺绕组上感应电势分别为

es＝kUmcosθcosωtec＝－kUmcos(θ＋

π/2)sinωt

＝kUmsinθsinωt感应同步器输出信号的处理方式

（鉴相方式）根据感应输出电压的相位来检测位移量。2021/4/1721根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势e为

e＝es＋ec

＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt

＝kUmcos(ωt－θ)

＝kUmcos(ωt－2πx/W)

根据上式，通过鉴别定尺输出的感应电势的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位置。例：感应电势与励磁电压相位差θ=1.8°，节距W=2mm，θ=2πx/W=0.01mm2021/4/1722光栅检测装置基本结构示意图

3直线透射光栅2021/4/1723由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹”。直线透射光栅的工作原理2021/4/1724B2B莫尔条纹的放大作用

莫尔条纹纹距B

与光栅节距w和倾角θ之间的关系：由于θ很小，因此

22sin/qw=BqwµB2021/4/1725为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90°，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90°，由此来确定运动方向。倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。例：栅距w=0.01mm，十倍频后，最小读数值1mm.直线透射光栅的辨向直线透射光栅的倍频2021/4/17262021/4/1727优点：

1）精度高，精度0.5-3mm，分辨率0.1mm2）易实现动态测量和自动化测量

3）较强的抗干扰能力缺点：

1）对环境要求高，怕振动，怕油污

2）高精度光栅制作成本高目前多用于精密定位的数控机床。直线透射光栅的特点2021/4/1728光电盘随主轴转动，光电元件把通过光电盘和光栏板射过来的忽明忽暗的光信号(近似于正弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号，计算脉冲的数目，可测出工作轴的转角，测定计数脉冲的频率，可测出工作轴的转速。4光电编码器2021/4/17292021/4/1730（1）分辩率改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率Q，Q越小，测速装置的分辩能力越强。（2）测速精度测量值与实际值的相对误差来表示，的大小与测速方法有关。数字测速方法：

M法—脉冲直接计数法

T法—脉冲时间计数法

M/T法—脉冲时间混合计数法2021/4/1731M法测速PLG倍频电路BusZ记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1，则Z=倍频系数×PLG光栅数。

测速原理与波形图CounterM法测速适用于高速分辨率：误差率：2021/4/1732PLG倍频电路ConterCPUINTnf0记录PLG一个脉冲间的高频脉冲个数M2，f0为高频脉冲频率，则电路与波形T法测速T法测速适用于低速2021/4/1733

M/T法既检测Tc

时间内PLG输出的脉冲个数M1，又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数M2。M/T法测速测速原理与波形图CM/T法测速适用的转速范围宽，测速精度高2021/4/1734

结构

绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案)来表示轴的位置。5绝对式光电脉冲编码器2021/4/1735

码盘的种类按码制不同分二进制码、格雷码（循环码）、十进制码、六十进制码等，最常用的是二进制循环码盘。

纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。而格雷码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。

2021/4/1736工作原理光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，亮区输出为“1”，暗区输出为“0”，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。2021/4/1737应用

在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：

在旋转轴上安装多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过的圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数θ。之后将两个码盘所检测的进行(N×360°＋θ)的叠加。

在软件设计时，设置一个专门的计数器，并规定码盘上的一个专门的代码为“零”代码，当码盘转过“零”代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。2021/4/1738磁尺位置检测装置是由磁性标尺（简称磁尺）、磁头和检测电路组成，该装置方框图如图所示。磁尺的测量原理类似于磁带的录音原理。在非导磁的材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上镀一层磁性薄膜。在测量前，先按标准尺度以一定间隔(一般为0.05mm)在磁性薄膜上录制一系列的磁信号。这些磁信号就是一个个按SN-NS-SN-NS……方向排列的小磁体，这时的磁性薄膜称为磁栅。测量时，磁栅随位移而移动（或转动）并用磁头读取(感应)这些移动的磁栅信号，使磁头内的线圈产生感应正弦电动势。对这些电动势的频率进行计数，就可以测量位移了。6磁尺2021/4/1739

磁头将高频励磁电流通人励磁绕组时，在磁头上产生磁通Φ1。当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁信号产生的磁通Φ0进入磁头铁心，并被高频励磁电流产生的磁通Φ1所调制。于是在拾磁线圈中感应电压为式中U0—感应电压系数；λ—磁尺磁化信号的节距；x—磁头相对于磁尺的位移；ω—励磁电流的角频率。2021/4/1740

检测电路

有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。2021/4/1741

（1）光栅传感器

光栅传感器的最大优点是信号处理方式简单，使用方便，测量精度高（国外著名厂家如德国Heidenhain、西班牙Fagor等公司制造的光栅传感器精度可达1μm/m）；缺点是光栅尺价格较昂贵，对工作环境要求较高，玻璃光栅尺的线胀系数与机床不一致，易造成测量误差。

（2）磁栅传感器

磁栅尺可分为线状（有效测量长度3m）和带状（有效测量长度可达30m）两种型式，其优点是制造成本较低，安装使用方便，线胀系数与机床相同；缺点是测量精度低于光栅尺，由于磁信号强度随使用时间而不断减弱，因此需要重新录磁，给使用带来不便。

（3）感应同步器

感应同步器的优点是制造成本低，安装使用方便，对工作环境条件要求不高；缺点是信号处理方式较复杂，测量精度受到测量方法的限制（传统测量方法的测量精度约为2～5μm）。

2.5综合比较2021/4/17422021/4/17432021/4/17442021/4/1745

模拟式传感器的输出信号需利用模数转换器(A/D)进行数字化处理，而在高分辨率情况下A/D转换的成本较高，此外解决微小模拟信号（如微伏级）的抗干扰问题也相当困难。

在数字式传感器中，绝对式编码器可输出并行数字信号，无需A/D转换，易与计算机接口。但随着测量精度的提高，绝对式编码器的成本也越来越高，甚至高于高精度A/D转换的成本，因此在许多实际应用场合难以被接受。增量式传感器